Nowy rodzaj lodu powstaje w temperaturze ponad 2000°C

W świecie, w którym wyewoluowaliśmy, woda jest najbardziej powszechną i oczywistą substancją. Woda pokrywa 71 proc. naszej planety, choć tworzy jedynie 1/4400 całkowitej masy Ziemi. Ciało dorosłego człowieka to w 55, a nawet 60 procentach woda, co daje jakieś 38 do 42 litrów. Woda jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem dla ziemskiego życia. Również kosmos jest pełen wody: znajdziemy ją w lodzie kometarnym, obłokach gwiazdotwórczych, czy w atmosferach egzoplanet.

Wyjątkowo dziwna ciecz

Jeśli jednak spojrzeć na wodę wyłącznie jako na ciecz, zachowuje się ona w sposób całkowicie odmienny od większości innych cieczy. Gdy woda zamarza, jej gęstość maleje. Ma zadziwiająco wysokie napięcie powierzchniowe. Temperatura wrzenia również jest nietypowo wysoka. A biorąc pod uwagę jej masę cząsteczkową, to w temperaturze pokojowej powinna być gazem. Okazuje się jednak, że wystarczy nieco zmienić ciśnienie i temperaturę, a osobliwe zachowanie wody staje się jeszcze bardziej niezwykłe.

Uczeni z francuskich i europejskich instytucji badawczych zademonstrowali niedawno jedną z najdziwniejszych znanych dotąd form lodu. Formę powstającą pod ciśnieniem sięgającym 2,3 miliona atmosfer i w ogromnej temperaturze dochodzącej do 2630 kelwinów (2357°C). Aby to lepiej zrozumieć można powiedzieć, że powstaje pod ciśnieniem ponad 2000-krotnie wyższym niż to panujące na dnie Rowu Mariańskiego. To również 64% ciśnienia panującego w samym środku naszej planety. Natomiast temperatura 2630 kelwinów to niemal połowa tej panującej na powierzchni Słońca.

Całkiem intuicyjnie oczekiwalibyśmy, że w wysokiej temperaturze woda powinna po prostu stać się gazem, a nawet że częściowo rozpadnie się na tworzące ją atomy tlenu i wodoru. Jednak przy astronomicznych ciśnieniach występujących głęboko we wnętrzach planet dzieje się coś interesującego.

Zatrzymana ekspansja

Kiedy woda przechodzi ze stanu ciekłego w gazowy, czyli w parę, zwiększa swoją objętość. Pod miażdżącym ciśnieniem milionów atmosfer tego typu ekspansja zostaje powstrzymana. W takiej sytuacji woda może pozostać niezwykle gęsta i przyjmować egzotyczne formy, zupełnie niepodobne do lodu spotykanego na powierzchni Ziemi.

Jedną z takich form jest lód superjonowy. Określamy tym mianem niezwykle osobliwy stan materii, który nie jest ani całkowicie stały, ani całkowicie ciekły. Atomy tlenu pozostają nieruchome w sztywnej sieci krystalicznej, tak jak w ciele stałym. Natomiast jądra wodoru stają się ruchliwe i przemieszczają się przez tę sieć bardziej jak cząstki w cieczy.

Wystarczy jednak niewielka zmiana warunków fizycznych, aby atomy tlenu w lodzie tworzyły odrębne fazy krystaliczne. Znamy już ponad dwadzieścia takich odmian lodu wodnego, a część z nich w skrajnych warunkach przechodzi w tzw. stan superjonowy. Badacze nieustannie odkrywają nowe.

Pod lodową skorupą Urana i Neptuna

Dodajmy, że lód superjonowy prawdopodobnie znajduje się głęboko wewnątrz lodowych olbrzymów, czyli Urana i Neptuna. Nietypowa natura lodu superjonowego może wpływać na powstawanie osobliwych pól magnetycznych obu tych planet.

Zespół pod kierownictwem fizyka Alexisa Forestiera z francuskiej Komisji ds. Energii Alternatywnych i Energii Atomowej przeprowadził eksperymenty, w których niewielkie próbki wody wystawiono na warunki zbliżone do tych panujących wewnątrz lodowych olbrzymów. Materiał ściskano między ostrzami diamentów aż do ciśnienia 230 gigapaskali, czyli 2,3 miliona razy więcej niż ziemskie ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza, jednocześnie podgrzewając próbki laserami do temperatur rzędu tysięcy stopni.

Zmiany w strukturze krystalicznej lodu śledzono przy pomocy niezwykle precyzyjnej wiązki promieniowania rentgenowskiego z synchrotronu. Ujawniła ona strukturę wcześniej przewidywaną tylko teoretycznie, nigdy jednak niepotwierdzoną eksperymentalnie, czyli lód o heksagonalnym, ciasnym upakowaniu (hcp). Sposób, w jaki kryształ hcp rozszerzał się podczas ogrzewania, wskazywał na cechy typowe dla stanu superjonowego, co sugeruje, że przemiana ta zachodziła w temperaturze bliskiej 1700 kelwinów.

Nazwa struktury odnosi się do sposobu ułożenia atomów tlenu, podobnie jak przy układaniu identycznych kulek w warstwy, istnieje kilka sposobów ich maksymalnie ciasnego upakowania. Znana wcześniej odmiana lodu superjonowego miała strukturę regularną ściennie centrowaną (fcc), natomiast nowo odkryty lód hcp różni się kolejnością ułożenia kolejnych warstw.

Na razie wiedza o właściwościach lodu hcp jest bardzo ograniczona, ponieważ materiał ten został odkryty dopiero niedawno. Naukowcy postulują dalsze prace teoretyczne, które pozwoliłyby lepiej poznać jego cechy mechaniczne (np. plastyczność) oraz przewodnictwo elektryczne. A także kolejne eksperymenty, które pozwoliłyby precyzyjnie określić zakres ciśnień i temperatur, w jakich struktura hcp pozostaje stabilna względem fcc.

Źródło: Physical Review Letters

Chcesz znaleźć więcej inspirujących podróży, fascynujących odkryć i opowieści ze świata nauki? Skorzystaj ze specjalnej oferty prenumeraty magazynów National Geographic Polska i National Geographic Traveler.

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i pisarka zajmującą się tematyką popularnonaukową, głównie kosmosem. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, przygodę z mediami rozpoczęła ponad 20 lat temu w redakcji „Życia Warszawy”. Poza pisaniem o polskiej i światowej nauce na łamach „National Geographic” współpracuje m.in. z „Wysokimi Obcasami” i kilkoma magazynami premium. Współautorka trzech bestsellerowych książek: „Człowiek – istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN i współpracuje z polskim Obserwatorium Cerro Murphy w Chile (OCM), którym zarządza CAMK PAN.